L’étude des caractéristiques du massif

1 . 4 . 2 .1 C o n te xte g é n é r al d e l a r e co n n ais s an ce du m as s i f

Comme le souligne l’AFTES (2003), « le but essentiel de la caractérisation des massifs rocheux est de fournir à l’ingénieur les données qualitatives et quantitatives nécessaires pour décrire la structure et évaluer les propriétés mécaniques et hydrauliques des massifs à l’échelle des volumes sollicités par les ouvrages. »

En pratique, du fait de la multiplicité des cas rencontrés en géotechnique, faisant de chaque projet un travail unique, une liberté assez importante est laissée à l’ingénieur géotechnicien dans la définition du contenu des reconnaissances géotechniques, dans la limite de règles de « bonne pratique » minimales issues de l’expérience collective. Il est toutefois généralement admis que la quantité et la qualité des reconnaissances doit théoriquement s’accroître avec l’ampleur et la complexité du projet, complexité qui peut être issue de la structure même à réaliser mais aussi des conditions géologiques locales. La construction d’un ouvrage dans un contexte de sol induré roche tendre doit donc a priori faire l’objet d’une reconnaissance approfondie.

Passer en revue précisément l’ensemble des techniques et méthodes de reconnaissance serait fastidieux et sortirait du champ de ce mémoire. On pourra se référer utilement à Ulusay & Hudson (2007) qui proposent un panorama complet de l’ensemble des méthodes recommandées par la société internationale de mécanique des roches. Une synthèse des pratiques directement adaptées aux ouvrages souterrains a également été rédigée par l’AFTES (2003), sous une forme plus succincte.

Nous insistons donc simplement ci-après sur quelques aspects particulièrement importants pour la caractérisation des massifs de sols indurés et roches tendres.

1 . 4 . 2 .2 L e s r e co n n ai ss an ce s i n s i tu

La base de la reconnaissance in situ est constituée par le travail du géologue qui permet, à partir de levés de terrain, de données régionales, d’analyses bibliographiques et cartographiques, de photo- interprétations, de sondages préliminaires, etc. d’établir un premier modèle géologique. Celui-ci identifie notamment des sous-ensembles « homogènes » avec un aperçu de leurs principales propriétés et souligne les incertitudes importantes vis-à-vis du projet (présence possible de zones difficiles à traverser, limites des formations géologiques, etc.). Il permet d’orienter le programme des reconnaissances géotechniques.

Le contenu de la reconnaissance géotechnique dépend fortement du type de terrain traversé par l’ouvrage. Dans le cas des S.I.R.T., on peut s’appuyer sur les spécificités de comportement du matériau, dont la plupart ont été abordées en section 1.2, pour déterminer les points sur lesquels il est plus particulièrement nécessaire d’insister. Les reconnaissances de terrain viseront donc notamment à :

Qualifier la structure du massif

On examinera notamment pour les S.I.R.T. l’existence ou non de systèmes de fissuration ainsi que leur organisation stucturale. Les « défauts » du massif peuvent également correspondre à des zones ponctuelles de caractéristiques particulièrement médiocres vis-à-vis des travaux d’excavation : passages sableux peu cohésifs au sein d’un massif molassique, zones de failles, etc.

Dans le cas des sols indurés et roches tendres, l’analyse du massif est aussi particulièrement intéressante pour déterminer l’échelle du volume élémentaire représentatif en fonction des hétérogénéités présentes sur le terrain. Pour le tunnel d’Arbus par exemple faisant l’objet de la partie 3 de ce mémoire, il apparaît clairement que les hétérogénéités sont d’ordre décimétrique à métrique, mais que le massif peut être globalement considéré comme homogène à l’échelle du tunnel. L’examen du massif rocheux pourra également permettre d’identifier des effets d’anisotropie potentiels, qui pourront être confirmés en laboratoire si l’échelle des échantillons s’y prête.

L’atteinte de ces objectifs fait essentiellement appel au modèle géologique préliminaire et aux prélèvements intacts en profondeur réalisés par carottage. La description des carottes est effectuée par un géologue en mesure d’identifier les différents faciès et peut être complétée par des résultats de diagraphies. On notera que les sondages ne constituent toutefois que des aperçus ponctuels des terrains, en outre généralement perpendiculaires à l’axe du tunnel : leur disposition le long du tracé relève donc de choix stratégiques et techniques.

Déterminer les conditions hydrauliques locales

Compte-tenu de l’influence forte des pressions interstitielles sur le comportement des S.I.R.T., l’établissement d’un modèle hydrogéologique du massif apparaît fondamental. Outre l’identification des aquifères et circulations d’eau sur la base d’une analyse globale, on pourra rechercher notamment la mesure de la perméabilité du massif (essais Lefranc ou Lugeon) ainsi que la détermination de l’état piézométrique initial.

Ce dernier paramètre notamment constitue un renseignement essentiel pour permettre les calculs de dimensionnement, puisque ce sont les contraintes effectives qui pilotent le comportement du matériau.

Les sondages permettent d’identifier les venues d’eau ainsi que de disposer d’une première approximation à court terme des niveaux piézométriques lorsque le terrain est suffisamment perméable. Toutefois, la faible conductivité hydraulique de la plupart des S.I.R.T. et les éventuels effets de succion ne permettent pas de considérer un tube ouvert comme un témoin représentatif des niveaux d’eau : le matériau peut être saturé, avec des pressions interstitielles non négligeables, tout en conservant des débits infimes en direction du sondage. On favorisera alors la mise en œuvre de sondes de pression interstitielle (voir Figure 21), placées dans un trou de forage et isolées par des bouchons en argile expansive, réalisant la mesure sur un volume faible. Elles devront être suivies à long terme (plusieurs mois, voire plusieurs années) pour permettre le rééquilibrage complet de la piézométrie

Figure 21 : Exemple de sonde piézométrique électrique (d'après norme NF EN ISO 22475-1)

6- Membrane 7- Instrument de mesurage

8- Capteur électrique 9- Pointe filtrante

10-Filtre

Déterminer le champ des contraintes

Cet objectif reste rarement atteint tant il est difficile en général d’obtenir des mesures de contraintes fiables dans les projets de travaux souterrains, même dans le cas d’ouvrages exceptionnels (voir Rojat et al. (2009) e.g.). Il s’agit néanmoins d’un paramètre fondamental pour les dimensionnements. Pour les S.I.R.T., l’approche est compliquée par le fait qu’un certain nombre de méthodes (notamment celles basées sur la libération des contraintes comme le surcarottage) sont limitées aux roches dures et peu fracturées, donc généralement inutilisables.

En l’absence de mesures ou de retours d’expérience sur des ouvrages antérieurs, on utilise usuellement une hypothèse de contrainte verticale géostatique (correspondant à la hauteur de couverture) complétée par un coefficient de pression des terres au repos K0 pour la qualification des contraintes horizontales. On peut toutefois aboutir ainsi à des valeurs assez éloignées de la réalité.

1 . 4 . 2 .3 L e s r e co n n ai ss an ce s e n l abo r ato i r e

Les reconnaissances en laboratoire sont menées sur les prélèvements issus des reconnaissances de terrain. L’objectif est de déterminer avec précision les principales caractéristiques physiques et mécaniques des matériaux et ainsi d’obtenir des paramètres d’entrée pour la modélisation du massif. À ce titre, la représentativité des essais de laboratoire est fortement conditionnée par la qualité des prélèvements, qui visent l’obtention de matériau « intact », et de leur conservation. En particulier, de nombreux S.I.R.T. présentant une sensibilité à l’eau, il peut être impératif de limiter les pertes hydriques par contact avec l’atmosphère : les carottes sont alors paraffinées, gainées et conservées en chambre humide. Le préparateur veillera ensuite, au moment de la réalisation des essais, à réduire au maximum le temps d’exposition à l’air libre.

Compte-tenu des comportements spécifiques reportés en section 1.2, plusieurs aspects importants doivent être couverts par les campagnes expérimentales en laboratoire sur les S.I.R.T. Les essais à l’appareil triaxial de révolution constituent dans ce cadre une source de renseignements particulièrement intéressante :

- les essais consolidés drainés (CD) permettent la détermination directe des paramètres mécaniques du matériau puisqu’ils donnent immédiatement accès à la contrainte effective. Ils sont essentiels pour une évaluation fiable des paramètres élastiques E,  (ou

Et, t pour les cas non linéaires), du critère de rupture et du potentiel plastique (dilatance

 en particulier). Les S.I.R.T. présentant couramment des temps de consolidation élevés, il s’agit d’essais longs (plusieurs semaines), nécessitant un personnel expérimenté pour la taille des éprouvettes et la minimisation des pertes hydriques ;

- les essais consolidés non drainés avec mesure de la pression interstitielle (CU+u) sont plus rapides à réaliser et peuvent donc être prévus en plus grand nombre, mais leur exploitation est plus délicate. En effet, les équations de la mécanique des milieux poreux présentées en section 1.3.3 montrent notamment que l’obtention des coefficients E et  est liée à celle des coefficients de Biot b et M. Si ces derniers ont pu être déterminés par ailleurs et présentent une faible variabilité, il est possible d’exploiter les essais en contraintes effectives comme dans le cas consolidé-drainé. Sinon, des hypothèses sont nécessaires, ou des protocoles particuliers comme les cheminements de contrainte en étoile proposés par Serratrice (2002) ;

- les essais non consolidés non drainés (UU), quoique fort répandus dans la pratique des travaux souterrains en milieux peu perméables, ne présentent en réalité pas d’intérêt majeur pour l’étude des tunnels. Ils conduisent à déterminer une cohésion non drainée correspondant théoriquement à un critère de rupture équivalent à court terme, et à travailler ensuite avec une approche monophasique. Toutefois, Giraud (1993) démontre grâce au principe d’équivalence abordé en section 1.3.3.6 que cette approche n’est pas rigoureuse puisque les propriétés mécaniques du milieu monophasique équivalent dépendent de la géométrie du problème et des conditions initiales de contrainte et pression interstitielle. Ainsi, comme le remarque Gärber (2003), la cohésion non drainée ne devrait pas être la même pour l’essai de laboratoire, le front du tunnel, ou la section courante !

Dans l’objectif d’une application aux tunnels, on notera également l’intérêt des essais d’extension qui reproduisent plus fidèlement que les compressions usuelles la sollicitation apportée au terrain par le creusement.

La détermination des paramètres géotechniques doit être complétée en examinant les possibilités de gonflement et de fluage, ainsi qu’en évaluant la perméabilité du matériau, éléments qui influent sensiblement sur la stabilité à long terme de l’ouvrage, comme cela a été abordé dans les sections 1.2.3.4, 1.2.3.5 et 1.2.3.6.

On s’attachera également à l’obtention d’un certain nombre de paramètres physiques comme les masses volumiques, les teneurs en eau et la porosité, permettant de se prononcer sur l’état de saturation du matériau et ses variations spatiales. L’examen de la composition minéralogique, par diffraction à rayons X par exemple, est aussi intéressante pour affiner la qualification géologique et détecter la présence de certaines structures minérales sensibles (argiles gonflantes e.g.).

À l’issue des divers essais de laboratoire, la détermination des paramètres géotechniques fait couramment apparaître une certaine dispersion. On examinera alors s’il est possible de découper le massif en sous-ensembles homogènes, dans lesquels la variation des paramètres peut par exemple être

éléments physiques, de façon à favoriser l’obtention de critères de décision simples pour la phase chantier. Soulignons en outre que, même au sein d’un sous-ensemble « homogène », chaque paramètre conservera une variabilité naturelle (plus faible). Celle-ci, quoique fréquemment ignorée au profit de valeurs moyennes ou de quantiles permettant de travailler du côté de la sécurité, reste intéressante à analyser dans l’optique d’études de sensibilité, voire d’approches probabilistes (voir Hoek (1998) e.g.).

1.4.3 Les méthodes empiriques pour le prédimensionnement du